智能化绿色建筑之一：节能量的测量与检验
上一篇 / 下一篇 2006-09-05 01:26:34 / 天气: 晴朗 / 心情: 高兴 / 个人分类：技术研究
摘要：本文从智能建筑和绿色建筑的基本概念入手，论述了绿色建筑营建的过程中，如何应用智能建筑技术实现绿色建筑节能的目的，重点阐述了绿色建筑节能量的测量与检验。
关键词：智能建筑 绿色建筑 测量与检验 节能评测 建筑能耗模拟 模拟校准
1. 智能建筑、绿色建筑的目的、推动力量
从1992年智能建筑兴起至今，有不少人都尝试过给他下过定义，直到今天人们在写论文、做评价的时候，依然还在问自己：什么是智能建筑。但对定义的争论和迷惑并没有阻止关于“智能建筑”的一系列应用、服务甚至技术标准的层出不穷。
绿色建筑无疑是当前建筑界、工程（学术）界和企业界最热门的话题之一，正如对当年智能建筑的热情一样，人们也开始对这个并不陌生的词语指指点点，抱着极大地热情和希望将自己所正在的从事的事情向“绿色”看齐。
这里的“绿色”代表了节能、环保。更权威的说法是，节能、节水、节地、节材的健康、安全、舒适的工作和生活空间，于是有人根据这个说法，将绿色建筑发展成一个无所不包的筺，凡是之前没有解决的问题，绿色建筑统统解决，凡是以前无法涵盖的东西，绿色建筑统统收纳。
如果将智能建筑和绿色建筑这两个概念比照起来看，就很能容易明白各自的定位、内涵和外延。
无论如何定义，智能建筑的根本目的都在于：1、使住户的工作和日常生活更加安全和高效；2、使大楼更加易于运营管理。可以看出，智能建筑是以人为核心的建筑，它的BA，CA，OA解决的都是人对信息和自动化的需求，是人们的生活品质在“舒适”基础上的一次飞跃。而人们对更丰富、更高质量的信息的需求，对更加人性化的自动化的需求，将会推动智能建筑的进一步发展。
绿色建筑的根本目的也在于人的发展，但它的出发点却不是当前人们的需求，而是自然平衡的需求，未来人类的需求，是工业时代经济增长方式对地球环境的一种折衷和妥协，是对信息时代知识经济兴起的一种渴望和承诺。因而，绿色建筑的推动力量更多的依靠社会自律和道德力，在技术层面上，则依靠信息技术对传统经济增长方式的革新，对传统能源消耗方式的革新，即在充分利用可再生能源的基础上，尽可能提高能源的使用效率。另外一方面，绿色建筑不仅指Green Buidling，还含有Green Construction的意义，这是智能建筑所不能涵盖的。关于绿色建筑中节能工程的社会属性，可参考笔者的《知识经济时代的建筑节能》（暖通空调，2005年6期）。
这就回到了我们讨论问题的出发点：智能建筑，或建筑的智能化，信息技术在建筑中的应用。下面这张图可以说明传统的控制技术和基于网络的控制技术对建筑能源消耗的影响：
上图表示的是美国西南部的一栋办公楼制冷系统的电力消耗，绿色柱子表示传统控制方式，蓝色的柱子表示在同样的初投资下，采用网络系统控制方式，可以看出，运用网络控制方式相对于传统的控制方式可以节省一半的制冷系统系统能耗。
由上文的分析可以看出，绿色建筑作为一种理念，是智能建筑在新的时代背景下发展的又一次机遇。
2. 绿色建筑节能量的测量与检验概述
绿色建筑是一个全寿命周期（Life Cycle Cost）的概念，从规划设计、施工调试、运营管理，到改造翻新，智能化，或者说信息技术的理念和应用都贯穿其中。
以美国能源及环境设计先导LEED为例，与智能建筑关系最大的一项是测量与检验（Measurement and Verification: M&V）。实施M&V的目的和意义在于：
• 精确的评估项目的能源节省量；
• 指出可能影响能源节省量的不确定因素，并将其降低到合理的水平；
• 监测设备的性能，保证系统的节能运行；
• 寻找额外的节省途径；
• 改进运行维护(O&M)，获得更多的能源节省；
• 为新建筑提供一个可靠的，连续的性能记录；
根据LEED能源利用和大气环境评分条件5（EA C5），要求大楼为下列使用终端安装长期的计量设备（详细的设备清单见附表）：
• 照明系统和控制
• 恒负荷和变负荷电机
• 变频驱动(VFD)操作
• 变负荷下冷却设备效率(kW/ton)
• 制冷负荷
• 空气和水合理利用以及热回收循环
• 空气分布静压和通风量
• 锅炉效率
• 与建筑运行有关的节能系统和设备
• 室内水提升装置和室外灌溉系统
并制定测量与检验计划，计划应结合上述使用终端的监控信息，符合“2001年国际运行测量与检验协议（IPMVP）第一卷：节能和节水概念和选择” 中选项B、C、D的要求，参考表1。
方法 | 节省量计算 | 基准的确定 | 性能及使用因素 | 典型应用 |
方法A – | 通过部分测量应用节能措施的系统来确定节能量；与系统的其余部分隔离；一些参数是规定值而不是测量值。 | 在建成后的运行条件下，计算基准系统假设的能源性能，来确定基准系统的预计能源使用。 | 测量和规定值的结合； 在系统或组件层次，现场或短期测量； 规定值由历史数据或厂商数据支持。 | 照明系统：现场定时测量，运行时间是规定的。 |
方法B – | 通过完整的测量应用节能措施的系统能源使用和运行参数来确定节能量；与系统的其与部分隔离。 | 在建成后测量的运行条件下，计算基准系统假设的能源性能，来确定基准系统的预计能源使用。 | 如果期望参数发生变化，在系统或组件层次，连续测量； 如果不期望参数发生变化，现场或短期测量就足够了。 | 变速控制的风机马达：马达的电力需求在整个测量与检验期间是连续测量的。 |
方法C – | 测量参考建筑和新建建筑总体的能源使用，基于公用事业费用账单计量数据的回归分析计算节能量。 | 通过测量没有采取对应节能措施的参考建筑的整体能源使用，来确定基准系统的预计能源使用。 | 基于长期的，整栋建筑的公用事业费用计量。 | 新建筑作为原有商业园区的一部分，并且该园区有与之类似的建筑和工作规律。 |
方法D – | 用建成后测量的整栋建筑的能源使用，或者以建成后的运行条件校准后的模型，模拟的能源使用，减去基准模型模拟的能源使用。 | 在建筑建成后的测量和检验期间运行条件下校准过的建筑能源使用模型，来确定基准模型的预计能源使用。 | 计算机模拟的输入可能基于以下几个条件：基于设施运行的历史数据，系统或设备详细的说明，工程估算，现场、短期或长期的测量，整栋建筑公用事业费用的长期计量。 | 各种节能措施相互之间有较大的影响，并且要求较高的精度时。 |
表1 测量与检验方法概述
在每一种方法中，都有两个基本的影响能源节省量的因素：性能和使用（performance and usage）。性能描述了为实现特定的任务需要消耗多少能源，而使用描述了需要完成多少任务，比如某个设备的运行时间。照明系统就是一个最简单的例子：性能即是为了达到特定亮度要求的瓦特数（功率），使用则是每年开灯的时间。一个稍微复杂的系统是制冷机，性能被定义为kW/ton，该性能系数是随着负荷变化的，使用被定义为冷负荷特征和运行时间。无论在何种情况下，性能和使用都是影响能源节省的两个重要因素。
根据US GBC（美国绿色建筑委员会）的测算，对于改建项目来说，实施良好的测量与检验（M&V）操作，如IPMVP中提供的方法B和方法C，相比不实施M&V操作或实施少量M&V操作可以实现平均节能高出10%到20%。应该注意的是，M&V操作可以预测通过运用节能措施（ECMs）和调试监控可以实现的大楼运行情况的改善，及其带来的成本节省。
对改建建筑的能源和用水设备实施比较严格的M&V操作增加的成本一般为总的改建成本的1%到5%。这些增加的初投资成本在大楼运行几个月后，就可以通过能源和用水费用的节省以及运行维护费用的降低而实现回收。
3. 测量与检验（M&V）的实施步骤
1) 列出所有需要做M&V的措施。总结所有项目中将要使用的与整体建筑或单个系统节能或节水措施。在大多数有绿色设计理念的建筑中，基本上包含了整个机电系统和给排水系统。
2) 确定参照基准。确定新建建筑的参照基准可分为两步。首先，建立并明确参照基准。该参照基准可以根据特定基准设备建立，或根据整体建筑符合能源标准或规范建立，如最新颁布的《公共建筑节能设计标准》。但对于改造项目而言，目前还没有可资借鉴的标准，因而可以采用参考建筑法，或模拟法，即IPMVP中的C和D方案。
一旦建立了参照基准，使用计算机辅助分析工具估算出相关的运行情况，有时可以通过删除节能建筑中特定节能措施（ECMs）和设备的“回返”的方法建立参照基准。对于使用方法C中计算机模拟方法进行整体楼宇M&V操作，这种方法尤其有效。对于改建项目，参照基准就是现有的系统设备，该步骤十分简单。关于能耗模拟软件的选择，可参考笔者的论文《建筑节能计算机评估体系研究》（暖通空调，2004年11期），或到topenergy绿色建筑论坛（www.TopEnergy.org）相关版面寻求帮助。
除了要确定参照基准预期的资源消耗量，参照基准中还要考虑到相关的能源和用水设备的成本估计值、气候因素、公用事业设施分布情况、使用率和其他因素，及其根据参照基准所做的调整。
3) 确定绿色建筑设计和计划节省量。通过建筑设计不断改进绿色方案，最终完成绿色建筑设计。接着使用计算机辅助工具评估最终的绿色设计的运行情况。参照基准的值减去绿色建筑计算结果，就得到该绿色项目的节省量。根据源数据测量每月的成本减少量。评估的过程应该包括对可能影响参照基准和绿色设计运行情况的因素的确定，以及可能的话，对这些因素的量化。
4) 确定一般M&V操作步骤。LEED要求使用方法B为最低要求。方法B提供的是终端使用方法，而方法C提供的是整体楼宇M&V方法。每一种方法的相关适用性为：
• 有关运行情况合同的M&V目标和要求。
• ECM的数量和每个ECM之间的、以及ECM与其它系统之间的相互影响程度。
• 特定ECM或整体楼宇ECM测量和检验相关实用性问题。
• 趋向于整体楼宇设计的潮流要求采用方法C描述的M&V操作。
5) 制定特别针对项目的M&V计划。新建建筑与改建项目相比，更有必要建立有效的M&V计划，因为新建建筑的运行情况更为复杂、涉及到的技术问题更具挑战性。
为协助设计决策进行的技术分析，关注建筑设计过程中涉及到的建筑运行情况，这些分析为M&V目标的确定以及方法的选择提供了参考依据。能源分析中的主要因素也是M&V的主要方面。因此，应该认真记录能源分析及其结果。M&V的结果应该会影响到设计中的一些决策，如设备的选用和建筑系统的组织等。明确所有可以参考的数据（如：公用事业费账单、控制系统的节点和变化周期、简单的测量等）、数据收集的方法（包括设备校准的要求和其他质量保证措施），以及监测执行人员要求。
6) 切实做好ECMs或节能策略的安装与调试工作。通过现场检查与对报告，如调试报告和水流/空气测试，以及平衡报告审查相结合的方式，证实按照要求正确安装与运行。应注意对有偏差的地方要及时调整影响运行的因素。
7) 根据实际安装后条件确定节省量。实际上，所有的运行结果都是根据对运行条件的假设得到的（如使用率和气候条件）。这对参照基准和绿色设计方案都有影响。必须通过适当的方法（现场检查或短期/长期测量）跟踪与运行条件假设值有偏差的地方，调整参照基准和绿色方案，确定实际的节省量。
介绍所有在数据处理，节省量确定过程中采用的工程计算和/或软件工具。这包括确定所有在计算中涉及到的变数或数值、基准调整因子、以及确定这些因子重要性的衰变分析（或其他）工具等。
8) 定期回顾，重新评估。必须对ECMs或绿色建筑措施的长期运行，以及相关的节省量进行定期的重新评估和校准。定期修改M&V及相关的运行情况合同要求。这样做的好处是，可以实现长期管理，及时纠正与预计的运行情况有显著偏差的错误。
4. 智能化绿色建筑
测量与检验操作影响所有使用能源和水资源的设备。场地可能受到影响的设备包括：新型燃料加油站、室外照明灯具和系统、灌溉系统、水资源再利用系统和污水处理设施等。在建筑内部，受到影响的设备包括：所有的管道装置、电气设备以及HVAC系统等。测量与检验操作与建筑的调试监控有紧密的联系，两者应该综合考虑。
智能建筑为建筑节能的测量与检验建立了很好的物质基础和工作平台，因而，另外一种跟踪能源系统长期运行情况的方法是通过网络的实时监控，对室内外环境条件、人员活动情况、设备运行情况等进行实时的数据采集和分析，并根据专家系统，对整个建筑系统的运行进行调整。这实际上也是智能建筑的发展的必然要求：IBMS集成管理系统的一部分功能。
附表：LEED测量和检验（EA C5）要求必须进行监控的设备（略），详情参考：http://www.topenergy.org/show.php?newsid=1730
智能化绿色建筑之一：节能量的测量与检验
Intelligent Green Building Series Part 1: M&V
北京启迪德润能源科技有限公司 黄俊鹏
华南理工大学建筑学院建筑技术系 王莹
Abstract: this thesis begins from the original concept of green building and intelligent building, discusses how to realize the energy savings with the current intelligent building technologies, and emphasizes the Measurement and Verification (M&V) of energy savings during the construction of green buildings.
Key Word: Intelligent building, Green Building, Measurement and Verification, energy savings evaluation, building energy simulation, calibrate simulation
参考文献
[1]Hartman, T. 2005, “Designing and Operating More Efficient HVAC Systems with the Equal Marginal Performance Principle,” ASHRAE Journal, July.
[1]the 2001 International Performance Measurement & Verification Protocol (IPMVP) Volume I: Concepts and Options for Determining Energy and Water Savings
TAG: 工程策略 绿色建筑 技术研究 智能建筑 测量与审计